Πυρίτιο και οι ενώσεις του. Το πυρίτιο στη φύση. Εφαρμογή πυριτίου

2024 Συγγραφέας: Angel Austin | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-17 05:22

Το πυρίτιο είναι ένα από τα πιο απαιτητικά στοιχεία στην τεχνολογία και τη βιομηχανία. Αυτό το οφείλει στις ασυνήθιστες ιδιότητες του. Σήμερα, υπάρχουν πολλές διαφορετικές ενώσεις αυτού του στοιχείου που παίζουν σημαντικό ρόλο στη σύνθεση και δημιουργία τεχνικών προϊόντων, πιάτων, γυαλιού, εξοπλισμού, υλικών οικοδομής και φινιρίσματος, κοσμημάτων και άλλων βιομηχανιών.

Γενικά χαρακτηριστικά του πυριτίου

Αν λάβουμε υπόψη τη θέση του πυριτίου στο περιοδικό σύστημα, μπορούμε να πούμε το εξής:

1. Βρίσκεται στην ομάδα IV της κύριας υποομάδας.
2. Τακτικός αριθμός 14.
3. Ατομική μάζα 28, 086.
4. Χημικό σύμβολο Si.
5. Όνομα - πυρίτιο, ή στα λατινικά - silicium.
6. Ηλεκτρονική διαμόρφωση εξωτερικού στρώματος 4e:2e:8e.

Το κρυσταλλικό πλέγμα του πυριτίου είναι παρόμοιο με αυτό του διαμαντιού. Τα άτομα βρίσκονται στους κόμβους, ο τύπος του είναι προσωποκεντρικός κυβικός. Ωστόσο, λόγω του μεγαλύτερου μήκους του δεσμού, οι φυσικές ιδιότητες του πυριτίου είναι πολύ διαφορετικές από αυτές της αλλοτροπικής τροποποίησης του άνθρακα.

Φυσικές και χημικές ιδιότητες

Υπάρχουν δύοαλλοτροπικές τροποποιήσεις αυτού του στοιχείου: άμορφο και κρυσταλλικό. Μοιάζουν πολύ. Ωστόσο, όπως και με άλλες ουσίες, η κύρια διαφορά μεταξύ τους είναι το κρυσταλλικό πλέγμα του πυριτίου.

Σε αυτήν την περίπτωση, και οι δύο τροποποιήσεις είναι πούδρες διαφορετικών χρωμάτων.

1. Το κρυσταλλικό πυρίτιο είναι μια σκούρα γκρι γυαλιστερή σκόνη που μοιάζει με μέταλλο. Η δομή του αντιστοιχεί σε διαμάντι, αλλά οι ιδιότητες είναι διαφορετικές. Έχει:

• ευθραυστότητα;
• χαμηλή σκληρότητα;
• ιδιότητες ημιαγωγών;
• σημείο τήξης 1415⁰C;
• 2,33g/cm³;
• σημείο βρασμού 2700⁰C.

Η χημική του δράση είναι χαμηλή σε σύγκριση με άλλες αλλοτροπικές μορφές.

2. Άμορφο πυρίτιο - καφέ-καφέ σκόνη, έχει τη δομή ενός εξαιρετικά διαταραγμένου διαμαντιού. Η χημική δραστηριότητα είναι αρκετά υψηλή.

Γενικά, πρέπει να σημειωθεί ότι στο πυρίτιο δεν αρέσει να αντιδρά. Για να το κάνετε να αντιδράσει, χρειάζεστε θερμοκρασία τουλάχιστον 400-500⁰C. Κάτω από αυτές τις συνθήκες σχηματίζονται διάφορες χημικές ενώσεις πυριτίου. Όπως:

• οξείδια;
• αλογονίδια;
• πυρικτόνα;
• νιτρίδια;
• borides;
• καρβίδια.

Πιθανή αλληλεπίδραση πυριτίου με νιτρικό οξύ ή αλκάλιο, η οποία ονομάζεται διαδικασία χάραξης. Οι ενώσεις οργανοπυριτίου είναι ευρέως διαδεδομένες και γίνονται όλο και πιο διαδεδομένες σήμερα.

Όντας στη φύση

Το πυρίτιο βρίσκεται στη φύση σε αρκετά σημαντική ποσότητα. Βρίσκεται στη δεύτερη θέση μετά το οξυγόνο ως προς τον επιπολασμό. Το κλάσμα μάζας του είναι περίπου 30%. Το θαλασσινό νερό περιέχει επίσης αυτό το στοιχείο σε συγκέντρωση περίπου 3 mg/l. Επομένως, δεν μπορεί να ειπωθεί ότι το πυρίτιο είναι ένα σπάνιο στοιχείο στη φύση.

Αντίθετα, υπάρχουν πολλά διαφορετικά πετρώματα και ορυκτά στα οποία εμφανίζεται και από τα οποία μπορεί να εξορυχθεί. Οι πιο κοινές φυσικές ενώσεις πυριτίου είναι οι εξής:

1. Πυρίτιο. Ο χημικός τύπος είναι SiO₂. Υπάρχει μια αρκετά μεγάλη ποικιλία μορφών ορυκτών και πετρωμάτων που βασίζονται σε αυτό: άμμος, πυριτόλιθος, άστριοι, χαλαζίας, βράχος κρύσταλλος, αμέθυστος, χαλκηδόνιος, καρνελιάνος, οπάλιο, ίασπις και άλλα.
2. Πυριτικά και αργιλοπυριτικά. Καολίνη, σπάρους, μαρμαρυγία, άλατα πυριτικού οξέος, αμίαντος, τάλκης.

Έτσι, το πυρίτιο είναι ευρέως διαδεδομένο στη φύση και οι ενώσεις του είναι δημοφιλείς και σε ζήτηση μεταξύ των ανθρώπων για τεχνικές εφαρμογές.

Πυρίτιο και οι ενώσεις του

Δεδομένου ότι το εν λόγω στοιχείο δεν μπορεί να υπάρχει στην καθαρή του μορφή, επομένως οι διάφορες ενώσεις του είναι σημαντικές. Από χημική άποψη, μπορεί να παρουσιάσει τρεις καταστάσεις οξείδωσης: +2, +4, -4. Με βάση αυτό, καθώς και από την αδράνειά του, αλλά ιδιαίτερη στη δομή του κρυσταλλικού πλέγματος, σχηματίζει τους ακόλουθους κύριους τύπους ουσιών:

• δυαδικές ενώσεις με αμέταλλα (σιλάνιο, καρβίδιο, νιτρίδιο, φωσφίδιο και ούτω καθεξής;
• οξείδια;
• πυρίτιοοξύ;
• πυριτικά μέταλλα.

Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στη σημασία του πυριτίου και των ενώσεων του, που είναι τα πιο κοινά και σε ζήτηση για τους ανθρώπους.

Οξείδια πυριτίου

Υπάρχουν δύο ποικιλίες αυτής της ουσίας, που εκφράζονται με τους τύπους:

• SiO;
• SiO₂.

Ωστόσο, το πιο διαδεδομένο είναι το διοξείδιο. Υπάρχει στη φύση με τη μορφή πολύ όμορφων ημιπολύτιμων λίθων:

• αχάτης;
• χαλκηδόνιο;
• opal;
• carnelian;
• jasper;
• αμέθυστος;
• στρας.

Η χρήση του πυριτίου σε αυτή τη μορφή έχει βρει την εφαρμογή της στην κατασκευή κοσμημάτων. Με αυτές τις ημιπολύτιμες και ημιπολύτιμες πέτρες κατασκευάζονται απίστευτα όμορφα χρυσά και ασημένια κοσμήματα.

Μερικές ακόμη παραλλαγές διοξειδίου του πυριτίου:

• χαλαζίας;
• ποταμός και χαλαζιακή άμμος;
• fint;
• feldspars.

Η χρήση πυριτίου σε αυτούς τους τύπους εφαρμόζεται σε κατασκευαστικές εργασίες, μηχανική, ραδιοηλεκτρονικά, χημική βιομηχανία και μεταλλουργία. Μαζί, τα αναφερόμενα οξείδια ανήκουν σε μία μόνο ουσία - το πυρίτιο.

Καρβίδιο του πυριτίου και οι εφαρμογές του

Το πυρίτιο και οι ενώσεις του είναι τα υλικά του μέλλοντος και του παρόντος. Ένα από αυτά τα υλικά είναι το καρβορούνδιο ή το καρβίδιο αυτού του στοιχείου. Χημικός τύπος SiC. Εμφανίζεται φυσικά ως ορυκτό moissanite.

Στην καθαρή της μορφή, η ένωση άνθρακα και πυριτίου είναι όμορφηδιαφανείς κρύσταλλοι που μοιάζουν με δομές διαμαντιών. Ωστόσο, οι ουσίες με πράσινο και μαύρο χρώμα χρησιμοποιούνται για τεχνικούς σκοπούς.

Τα κύρια χαρακτηριστικά αυτής της ουσίας, που επιτρέπουν τη χρήση της στη μεταλλουργία, τη μηχανική, τη χημική βιομηχανία, είναι τα εξής:

• ημιαγωγός μεγάλου κενού;
• πολύ υψηλή αντοχή (7 στην κλίμακα Mohs);
• ανθεκτικό σε υψηλές θερμοκρασίες;
• εξαιρετική ηλεκτρική αντίσταση και θερμική αγωγιμότητα.

Όλα αυτά καθιστούν δυνατή τη χρήση του ανθρακούχου ως λειαντικού υλικού στη μεταλλουργία και τη χημική σύνθεση. Και επίσης στη βάση του να παράγει LED ευρέως φάσματος, εξαρτήματα για φούρνους τήξης γυαλιού, ακροφύσια, φακούς, κοσμήματα (ο moissanite εκτιμάται περισσότερο από το κυβικό ζιρκονία).

Silan και η σημασία του

Η ένωση υδρογόνου του πυριτίου ονομάζεται σιλάνιο και δεν μπορεί να ληφθεί με άμεση σύνθεση από πρώτες ύλες. Για την απόκτησή του χρησιμοποιούνται πυριτικά από διάφορα μέταλλα, τα οποία επεξεργάζονται με οξέα. Ως αποτέλεσμα, απελευθερώνεται αέριο σιλάνιο και σχηματίζεται ένα μεταλλικό άλας.

Είναι ενδιαφέρον ότι η εν λόγω σύνδεση δεν διαμορφώνεται ποτέ μόνη της. Πάντα ως αποτέλεσμα της αντίδρασης, λαμβάνεται ένα μείγμα μονο-, δι- και τρισιλανίου, στο οποίο τα άτομα πυριτίου αλληλοσυνδέονται σε αλυσίδες.

Με τις ιδιότητές τους, αυτές οι ενώσεις είναι ισχυροί αναγωγικοί παράγοντες. Ταυτόχρονα, οι ίδιοι οξειδώνονται εύκολα από το οξυγόνο, μερικές φορές με έκρηξη. Με τα αλογόνα, οι αντιδράσεις είναι πάντα βίαιες, με μεγάλη εκπομπήενέργεια.

Οι εφαρμογές των σιλανίων είναι οι εξής:

1. Αντιδράσεις οργανικής σύνθεσης, που έχουν ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό σημαντικών ενώσεων οργανοπυριτίου - σιλικόνες, καουτσούκ, στεγανωτικά, λιπαντικά, γαλακτώματα και άλλα.
2. Μικροηλεκτρονικά (οθόνες LCD, ολοκληρωμένα τεχνικά κυκλώματα κ.λπ.).
3. Λήψη υπερκαθαρού πολυπυριτίου.
4. Οδοντιατρική με προσθετικά.

Έτσι, η σημασία των σιλανίων στον σύγχρονο κόσμο είναι υψηλή.

Πυριτικό οξύ και πυριτικά άλατα

Το υδροξείδιο του εν λόγω στοιχείου είναι διαφορετικά πυριτικά οξέα. Highlight:

• meta;
• ortho;
• πολυπυριτικό και άλλα οξέα.

Όλα τους ενώνονται με κοινές ιδιότητες - ακραία αστάθεια στην ελεύθερη κατάσταση. Αποσυντίθενται εύκολα υπό την επίδραση της θερμοκρασίας. Υπό κανονικές συνθήκες, δεν υπάρχουν για πολύ, μετατρέπονται πρώτα σε sol και μετά σε gel. Μετά την ξήρανση, τέτοιες δομές ονομάζονται σιλικαζέλ. Χρησιμοποιούνται ως προσροφητικά σε φίλτρα.

Σημαντικά, από πλευράς βιομηχανίας, είναι τα άλατα πυριτικών οξέων - πυριτικών. Αυτές αποτελούν τη βάση της παραγωγής ουσιών όπως:

• γυαλί;
• σκυρόδεμα;
• τσιμέντο;
• ζεόλιθος;
• καολίνη;
• πορσελάνη;
• faience;
• κρύσταλλος;
• κεραμικά.

Πυριτικά αλκαλιμέταλλα είναι διαλυτά, όλα τα άλλα όχι. Επομένως, το πυριτικό νάτριο και κάλιο ονομάζεται υγρό γυαλί. Συνήθης γραφική κόλλα - αυτό είναι νάτριοάλας πυριτικού οξέος.

Αλλά οι πιο ενδιαφέρουσες ενώσεις εξακολουθούν να είναι τα ποτήρια. Ανεξάρτητα από το πόσες παραλλαγές αυτής της ουσίας κατέληξαν! Σήμερα αποκτούν έγχρωμες, οπτικές, ματ επιλογές. Τα γυάλινα σκεύη είναι εντυπωσιακά στη μεγαλοπρέπεια και την ποικιλία τους. Με την προσθήκη ορισμένων μεταλλικών και μη μεταλλικών οξειδίων στο μείγμα, μπορεί να παραχθεί μια μεγάλη ποικιλία τύπων γυαλιού. Μερικές φορές ακόμη και η ίδια σύνθεση, αλλά διαφορετικό ποσοστό των συστατικών οδηγεί σε διαφορά στις ιδιότητες της ουσίας. Ένα παράδειγμα είναι η πορσελάνη και η φαγεντιανή, ο τύπος των οποίων είναι SiO₂AL₂O₃ K 2_O.

Το γυαλί χαλαζία είναι μια μορφή προϊόντος υψηλής καθαρότητας του οποίου η σύνθεση περιγράφεται ως διοξείδιο του πυριτίου.

Ανακαλύψεις σε ενώσεις πυριτίου

Τα τελευταία χρόνια έρευνας, έχει αποδειχθεί ότι το πυρίτιο και οι ενώσεις του είναι οι πιο σημαντικοί συμμετέχοντες στη φυσιολογική κατάσταση των ζωντανών οργανισμών. Με έλλειψη ή περίσσεια αυτού του στοιχείου, ασθένειες όπως:

• καρκίνος;
• φυματίωση;
• αρθρίτιδα;
• καταρράκτης;
• λέπρα;
• δυσεντερία;
• ρευματισμοί;
• ηπατίτιδα και άλλα.

Η ίδια η διαδικασία γήρανσης συνδέεται επίσης με την ποσοτική περιεκτικότητα σε πυρίτιο. Πολυάριθμα πειράματα σε θηλαστικά έχουν αποδείξει ότι με την έλλειψη ενός στοιχείου συμβαίνουν καρδιακές προσβολές, εγκεφαλικά επεισόδια, καρκίνος και ενεργοποιείται ο ιός της ηπατίτιδας.